挤压参数对AZ80镁合金组织性能的影响

靳霄曦，　张　星，　孟　模

（中北大学材料科学与工程学院， 山西　太原　030051）



挤压参数对AZ80镁合金组织性能的影响

靳霄曦，张星，孟模

（中北大学材料科学与工程学院， 山西太原030051）

对AZ80镁合金铸坯在不同挤压温度和挤压比下的再结晶行为进行了观察，并测量了各挤压条件下的拉伸性能。结果表明：挤压变形及动态再结晶可以显著细化铸造AZ80镁合金的晶粒（由约100μm减少到约10μm）；随挤压比的升高，AZ80镁合金的抗拉强度与延伸率都有所提高；在挤压温度为380℃时，抗拉强度最高，硬度适中。

AZ80镁合金挤压变形组织力学性能

与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能，可满足更多构件的需求[1]。目前，对变形镁合金的研究也主要集中在AZ3l和ZK60系列上，而对AZ80系列的变形镁合金研究并不多。但AZ80的强度和耐腐蚀性要远优于AZ31，与ZK60相当；其成本则与AZ3l相当，低于ZK60[2]。同时，AZ80变形镁含金在综合力学性能上较其他材料有相当大的优势；且AZ80的冶炼工艺简单，质量容易被控制。有人曾对变形镁合金高温变形流变应力及组织性能等进行分析研究[3-4]，本着节约原材料、缩短加工工艺流程的目的，提出由铸坯直接挤压为成型产品的方案，但对于其成型性及成型过程对产品性能的影响研究甚少。本文研究不同的挤压温度和挤压比对AZ80的相变行为、显微组织和力学性能的影响，为进一步拓宽镁合金的成型工艺做些基础准备。

1　实验过程

选择AZ80镁合金的铸造棒材。其化学成分为：w(Al)=8.9%，w(Zn)=0.53%，w(Mn)=0.2%，w(Si)<0.1%，w(Cu)<0.1%，杂质质量分数为0.3%，其余为Mg。在挤压试验前，将试样在380℃下保温10h进行均匀化处理，然后在不同温度下进行不同挤压比的挤压变形。变形前，将挤压模具加热到400℃。挤压模具为正挤压模具，挤压设备为6 300 kN四工位组合快速成型油压机。把变形试样制成拉伸和金相试样，在WDW-E100D电子万能试验机上进行拉伸试验，在Neophot21显微镜下观察试样金相组织（侵蚀剂为2%的草酸和硝酸溶液）。

2　实验结果及讨论

图1　AZ80镁合金铸态及其在380℃经过不同挤压比后的微观组织

AZ80镁合金经退火处理后的组织是由粗大的α-Mg基体及在基体上分布着的β相（Mg17Al12）组成，见图1-1，其中β相会降低合金的塑性，使得变形不均匀[5]。将铸态晶粒尺寸为80～120 μm的AZ80镁合金在380℃下进行不同程度的变形，变形后的组织如图1-2—图1-4所示。当挤压比为10时，晶粒尺寸开始变小，但动态再结晶并不充分，仍有粗粒的存在，且颗粒分布不均匀；当挤压比为15时，晶粒进一步细化，基本全部发生了动态再结晶；当挤压比进一步上升到20后得到了沿挤压方向排布的致密等轴晶，粒径分布均匀。由此可以看出，挤压比越高，得到的晶粒越细小、均匀。在挤压过程中大的变化量将导致更多的晶粒产生，并在这一过程中能够反复地动态再结晶，晶粒明显细化。

比较在不同状态下组织的变化，可以看出：在塑性形变的初始阶段，由于滑移系少，金属容易孪生，尤其是当向不利于滑移的方向加力时，塑性形变开始以孪生机制进行，在大塑性形变或阻碍位错滑移的滑动面在当地区域产生后，由于浓度的阻塞，引起不均匀塑性形变和应力分布不均匀。当挤压比上升时，由于大量的塑性形变引起金属的晶体结构严重畸变，为再结晶的发生提供了有利的条件，加上热挤压的作用，容易发生动态再结晶，新的晶粒也由于再结晶晶界的形核和生长而产生，使晶粒细化[6]。

从图2可以看出，在相同挤压比下，随着温度的升高，原有晶粒在长大的同时在挤压作用下破碎，产生更多小晶粒。在热挤压过程中晶粒的长大和动态再结晶过程中新的细小晶粒的产生呈竞争关系。随着温度的升高，在晶粒长大的同时还伴随着枝晶偏析减少、第二相溶解、晶粒更加均匀的现象的产生。

图2　挤压比为20时在不同挤压温度下的微观组织

综上所述，在挤压过程中，挤压比的加大能有效控制塑性变形，使之有更密集的细小等轴的产生倾向，有效消除铸造产生的晶粒粗大和偏析，改变组织结构，从而获得更稳定的细密的再结晶组织。材料的屈服强度与晶粒大小存在着Hall-Petch关系，晶粒细化不仅可以提高材料的强度，而且可以提高其塑性，对于AZ80镁合金来说，细晶强化几乎是提高其强度的唯一方法[7]。

将拉伸试验数据进行处理可得抗拉强度与挤压参数关系图，如图3-1所示。在挤压变形前，均匀态坯料的抗拉强度为193 MPa，经过挤压变形后，材料抗拉强度大幅提升。图3为在不同挤压比以及不同挤压温度下均匀态变形镁合金抗拉强度的变化。从图3中可以看出：在挤压温度在250~410℃的范围内，在不同挤压比下，抗拉强度先升高，在350℃时降至最低，在380℃时升至最高；当温度进一步提升时，抗拉强度再次降低，仅略高于最低点。

这符合所得金相图的规律，因为在低温情况下，动态再结晶并未大量发生，晶粒尺寸不均匀，且第二相不连续析出；在350℃时可以明显看出沿晶界不连续析出的第二相组织的显微组织分布不均匀，所以力学性能最差。在380℃时，原有粗大晶粒基本全部发生动态再结晶，产生大量细小等轴晶，且晶界上无明显第二相析出，仅在基体内部可以观察到连续析出呈弥散分布的第二相，力学性能最好；在温度达到410℃时，第二相基本都固溶回到基体中，在冷却过程中连续析出，但是由于温度提高，晶粒尺寸变大，所以力学性能下降。

从图3-2可以看出：在相同挤压比下，随着挤压温度的升高硬度值逐渐下降；在相同温度下，挤压比为10时硬度值最高，挤压比为15时挤压比最低。发生这种现象的原因可能是随着挤压温度的升高，原先起加工硬化作用的第二相逐步回溶，晶粒逐渐长大；随着挤压比的升高，动态再结晶更多地发生，第二相被挤碎、球化，导致其硬度降低。

3　结论

1）通过挤压变形，AZ80镁合金发生动态再结晶，可以显著细化其晶粒（由约100μm减小到5 μm左右）。

2）随变形温度的升高，AZ80镁合金的抗拉强度先上升后下降，在380℃时达到最高；在相同的变形程度下，随着变形温度的升高，晶粒有长大的趋势。

3）在挤压比为20、挤压温度为380℃时，材料抗拉强度约为铸态时的两倍，硬度适中。

[1]Mordike M L,Ebert T.Magnesium Properties-Applications-Potential[J].Materials Science and Technology,2001,A302：37-45.

[2]梁海成，冯立军，崔建忠，等.挤压比对AZ80镁合金管材热挤压组织性能影响[J].特种铸造及有色合金，2011（专刊）：43-45.

[3]范永革，汪凌去.变形镁合金高温变形流变应力分析[J].重庆大学学报，2003（2）：9-11.

[4]杨亚琴，李保成，张治民，等.热变形对AZ80镁合金组织性能的影响[J].热加工工艺，2010，39（22）：33-35.

[5]李伟.塑性变形对铸态AZ80镁合金组织及性能影响的研究[D].太原：中北大学，2009.

[6]CahnR W.材料科学与技术丛书：金属与合金工艺（15）[M].雷廷权，译.北京：科学出版社，1999.

[7]尹从娟.热变形对AZ80镁合金性能影响的研究[D].太原：中北大学，2008.

（编辑：胡玉香）

Influence of Deformation Parameter on Microstructure and Properties of AZ80 Alloy

JIN Xiaoxi，ZHANG Xing，MENG Mo
（College of Materials Science and Engineering，North University of China，Taiyuan Shanxi 030051）

The recrystallization behavior of magnesium alloy(AZ80)deformed at deferent ratio and temperature is studied.Then,the tensile properties are tested.The result show:firstly,the grain of AZ80 as cast is fined by extruding deformation and dynamic recrystallization;secondly,the grain size decreases from about 100 μmto 10 μm;then,the tensile strength and elongation rate rises with the increasing of extrusion ratio;these two properties are highest under the deformation temperature 380℃.

AZ80 magnesium alloy,extrusion,microstructure,mechanical properties

TG146.2+2

A

1672-1152（2016）02-0020-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.07

2015-12-17

靳霄曦（1989—），男，中北大学材料科学与工程学院在读研究生，研究方向：材料加工工程。